供稿|高飛，雷挺，高巖，黃杰，陳永輝 / GAO Fei, LEI Ting, GAO Yan, HUANG Jie, CHEN Yong-hui

內(nèi)容導(dǎo)讀

利用Simufact有限元仿真軟件對25.4、50.8、76.2、101.6 mm四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板780℃熱處理熱透時間進(jìn)行了有限元仿真；選取76.2 mm TC4鈦合金厚板，通過熱透時間驗證實驗，實測驗證780℃熱處理過程中板材表面和內(nèi)部的溫度變化規(guī)律；通過分析比對有限元仿真和實驗數(shù)據(jù)，研究了TC4鈦合金厚板780℃熱處理的熱透時間隨板材厚度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：TC4鈦合金厚板熱處理加熱過程中板材表層和內(nèi)部溫度分布不均，加熱初期板材升溫速率較快，加熱中后期板材升溫速率明顯趨緩，經(jīng)過熱透時間后板材表層和內(nèi)部溫度趨于一致并無限接近于保溫溫度780℃；TC4鈦合金厚板熱透時間與板材厚度呈正比關(guān)系，板材熱透時間與板材厚度間的比例系數(shù)約為0.8～1.0 min/mm。

TC4鈦合金在α+β型鈦合金中應(yīng)用最為廣泛，該合金是美國Illinois技術(shù)研究所于20世紀(jì)50年代初開發(fā)出來的，是最早生產(chǎn)的鈦合金之一[1]。TC4鈦合金厚板通常是指厚度＞4.75 mm的TC4鈦合金板材，由于其良好的力學(xué)性能和工藝性能在航空航天等領(lǐng)域廣泛使用。

鈦合金厚板熱處理過程中板材內(nèi)部以熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量。鈦的熱導(dǎo)率較低，是鐵的1/4，銅的1/7[2]。由于熱導(dǎo)率較低且板材厚度較厚，TC4鈦合金厚板熱處理中的熱透時間問題尤為明顯，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。

有限元仿真是利用數(shù)學(xué)近似的方法通過計算機(jī)運(yùn)算對真實物理系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，是解決復(fù)雜工程分析計算問題的有效途徑[3]。有限元仿真在材料加工、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[4-5]。

本文以TC4鈦合金厚板780℃熱處理為例，采用計算機(jī)有限元仿真的方法對TC4鈦合金厚板熱處理的熱透時間進(jìn)行了有限元仿真研究，并通過驗證實驗對有限元仿真得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對驗證，以期找到TC4鈦合金厚板熱透時間與板材厚度之間的關(guān)系。

實驗方法

本研究實驗分為計算機(jī)有限元仿真和熱透時間驗證實驗兩部分，方法如下。

有限元仿真

計算機(jī)有限元仿真采用Simufact.forming軟件，通過軟件內(nèi)置建模模塊建立TC4鈦合金厚板模型，板材建模規(guī)格如表1所示。

表1 TC4鈦合金厚板建模規(guī)格

所建模型采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定板材初始溫度20℃，退火溫度780℃，假設(shè)板材熱處理過程中爐溫恒定780℃且板材各個方向受熱均勻。規(guī)定板材從熱處理開始到板材幾何中心溫度到達(dá)(780±10)℃時所用的時間為熱透時間。

熱透時間驗證實驗

熱透時間驗證實驗在H0301輥底式退火爐進(jìn)行，退火溫度設(shè)定780℃，爐溫控制精度為±10℃。

在板材邊部打盲孔并在板材表面和孔內(nèi)安放熱電偶，通過熱電偶實時監(jiān)測板材表面和內(nèi)部的溫度。在有限元仿真采用的4個厚度規(guī)格中(見表1)，考慮到25.4和50.8 mm板材邊部的熱電偶安裝孔在板材厚度方向上分布較密集(厚度方向上的孔間距分別為6.35和12.7 mm)，各監(jiān)測點(diǎn)板材溫度因間距較小易造成實驗數(shù)據(jù)對比性不明顯，而101.6 mm板材重量超過實驗用退火爐爐輥承重極限，為兼顧實驗可行性和數(shù)據(jù)可對比性，故在本實驗中采用76.2 mm板材進(jìn)行驗證。開孔孔徑φ5 mm，熱電偶直徑φ4 mm，熱電偶監(jiān)測點(diǎn)位于盲孔最深處，熱電偶分布位置如表2所示。從板材進(jìn)爐開始每隔1 min，計算機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)對板材表面、內(nèi)部和爐溫自動記錄一次各熱電偶反饋的實時溫度數(shù)據(jù)。

如表2所示，1～3號熱電偶監(jiān)測板材內(nèi)部溫度，4號熱電偶監(jiān)測板材表面溫度，5號熱電偶監(jiān)測爐溫。其中3號熱電偶位于板材幾何中心，規(guī)定3號熱電偶監(jiān)測溫度到達(dá)(780±10)℃時所用的時間為熱透時間。

表2 熱電偶分布位置

結(jié)果與討論

有限元仿真

表3為有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板不同熱處理時間時的板材幾何中心處溫度。從表3可以看出，通過有限元仿真得出25.4、50.8、76.2、101.6 mm TC4鈦合金厚板780℃熱處理熱透時間分別為25、50、70、90 min。從表3可以看出，通過有限元仿真得出25.4、50.8、76.2、101.6 mm TC4鈦合金厚板780℃熱處理熱透時間分別為25、50、70、90 min。

表3 不同熱處理時間TC4鈦合金厚板幾何中心處溫度

圖1為有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板熱透時板材寬度1/2剖面的溫度分布圖。從圖1可以看出，四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板熱透時板材各處溫度均在770～780℃，板材表層溫度比內(nèi)部溫度略高2～5℃。板材熱處理時由于上下面受熱面積最大，熱量主要通過上下面?zhèn)鲗?dǎo)至板材內(nèi)部。隨著板材厚度增加，板材邊部受熱面積增大，邊部傳熱所占比例增加。經(jīng)過熱透時間后，板材各處溫度趨近于退火溫度±10℃，但由于此時板材各處溫度梯度較小，板材升溫速率極為緩慢，隨著熱處理時間繼續(xù)增加，板材各處溫度將無限接近退火溫度。

表4為有限元仿真25.4、50.8、76.2、101.6 mm四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板熱透時間與板材厚度關(guān)系對照表。從表4可以得出，四個厚度規(guī)格TC4鈦合金厚板熱透時間與板材厚度的比例系數(shù)約為0.9～1.0 min/mm，隨著板材厚度增加，該比例系數(shù)呈減小趨勢。這是因為隨著板材厚度增加，板材邊部受熱面積增大，邊部傳熱效應(yīng)愈加顯著，從而增強(qiáng)了傳熱效果，縮短了熱透時間。該熱透時間與板材厚度的比例系數(shù)通過有限元仿真方法得出，有必要通過實際熱處理實驗來進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

表4 TC4鈦合金厚板熱透時間與板材厚度關(guān)系對照表

熱透時間驗證實驗

圖2為76.2 mm TC4鈦合金厚板780℃熱處理溫度曲線圖。從圖2可以看出，板材板厚1/4、3/4及1/2處溫度到達(dá)(780±10)℃用時60 min，即實驗板材熱透時間為60 min。此外，板厚1/4處熱處理起始溫度約100℃，板厚3/4及1/2處熱處理起始溫度約50℃，板材表面熱處理起始溫度約400℃。總體來看，實驗板材熱處理溫度曲線呈現(xiàn)出三個階段特征：第一階段為線性升溫階段，對應(yīng)熱處理的前15 min，此階段板材升溫速率較快，板材溫度近似呈直線上升；第二階段為非線性升溫階段，對應(yīng)熱處理的15～60 min，此階段板材升溫速率開始放緩，且隨著熱處理時間的延長，升溫速率呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；第三階段為保溫階段，對應(yīng)熱處理的60 min以后，此階段板材升溫速率趨近于零，板材溫度無限接近于設(shè)定退火溫度780℃。

圖3為TC4鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度變化曲線圖，該圖數(shù)據(jù)源自JMatPro數(shù)據(jù)庫。

從圖3可以看出，TC4鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度升高而增大。根據(jù)熱傳導(dǎo)傅立葉定律：

其中，dQ為傳熱速率，W；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；dA為導(dǎo)熱面積，m2；dt/dn為溫度梯度，K/m。線性升溫階段板材導(dǎo)熱系數(shù)較小但具有較大的溫度梯度，板材升溫速率較快；非線性升溫階段板材導(dǎo)熱系數(shù)增大但溫度梯度減小更為顯著，板材升溫速率逐漸減小；保溫階段板材導(dǎo)熱系數(shù)雖較大但溫度梯度趨近于零，板材升溫速度極為緩慢。

通過驗證實驗測得76.2 mm TC4鈦合金厚板780℃熱處理熱透時間為60 min，熱透時間與板材厚度的比例系數(shù)為0.79 min/mm，與之前同規(guī)格板材有限元仿真的數(shù)據(jù)相比略小。這是因為有限元仿真建模過程不可避免地要進(jìn)行理想條件的假設(shè)，如假設(shè)板材各處絕對均勻受熱，板材熱處理進(jìn)爐過程的時間忽略不計，板材熱處理起始溫度為室溫。而在實際熱處理過程中，板材各處不可能絕對均勻受熱，板材熱處理進(jìn)爐和熱處理計時開始存在一定的時間差，從而導(dǎo)致板材熱處理起始溫度高于室溫。總體而言，有限元仿真的熱透時間與驗證實驗測得的數(shù)據(jù)相比較為接近，有限元仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果具有一定的參考價值。

結(jié)束語

(1) TC4鈦合金厚板熱處理過程中板材表層和內(nèi)部溫度分布不均，加熱初期板材升溫速率較快，加熱中后期板材升溫速率明顯趨緩，經(jīng)過熱透時間后板材表層和內(nèi)部溫度趨于一致并無限接近于保溫溫度780℃。

(2) TC4鈦合金厚板780℃熱處理熱透時間與板材厚度的比例系數(shù)為0.8～1.0 min/mm。